TGF—β/Smad信號(hào)通路在糖尿病腎病上皮細(xì)胞向間充質(zhì)轉(zhuǎn)化中的作用

【摘 要】轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（TGF-β）是糖尿病腎病發(fā)展中的一個(gè)關(guān)鍵介質(zhì)，已知TGF-β通過(guò)激活它的下游介質(zhì)Smad2和Smad3發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)，并被抑制性Smad7負(fù)調(diào)節(jié)。大量證據(jù)支持TGF-β和其下游的Smad信號(hào)在糖尿病腎病腎纖維化的發(fā)展中的作用。上皮細(xì)胞向間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）是糖尿病腎病腎小管間質(zhì)纖維化的基本病理。本文旨在總結(jié)TGF-β/Smad信號(hào)通路在糖尿病腎病發(fā)生發(fā)展的機(jī)制及作用，為糖尿病腎病的治療策略提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β； Smad ；糖尿病腎病； 上皮細(xì)胞向間充質(zhì)轉(zhuǎn)化

【中圖分類號(hào)】R69 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1004—7484（2013）10—0032—02

糖尿病腎病作為糖尿病的一個(gè)主要并發(fā)癥，已逐漸成為終末期腎臟病的主要原因。它的發(fā)病機(jī)制是多因素的，確切的機(jī)制仍不明確。目前已提出的幾種機(jī)制包括晚期糖基化終末產(chǎn)物（AGEs）產(chǎn)生的增多，多元醇通路的加強(qiáng)，蛋白激酶C的活化，和氧化應(yīng)激的增強(qiáng)[1]。其中，轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（TGF-β）信號(hào)通路的激活在糖尿病腎病的發(fā)展中起關(guān)鍵作用[2]。體外研究證明高糖和AGEs誘導(dǎo)細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的產(chǎn)生 ，同時(shí)降低ECM的降解[2]，均是TGF-β依賴性的[2]。來(lái)自1型或2型糖尿病動(dòng)物模型的結(jié)果進(jìn)一步表明TGF-β是糖尿病腎病的一個(gè)重要介質(zhì)[2]。另外，在實(shí)驗(yàn)性和人類糖尿病腎病中均觀察到了Smad2/3的激活[2]，意味著腎臟Smad2/3的激活在糖尿病腎病的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮關(guān)鍵作用。大量研究支持TGF-β/Smad信號(hào)通路在糖尿病腎病發(fā)病機(jī)制中的重要性。

1 TGF-β/Smad信號(hào)通路

纖維化過(guò)程中起主要作用的TGF-β1，是抑制ECM降解同時(shí)促進(jìn)ECM產(chǎn)生的一個(gè)關(guān)鍵介質(zhì)[3]。所有生物效應(yīng)由Smad依賴性路徑通過(guò)其下游介質(zhì)激活Smad2和Smad3介導(dǎo)。與其II型受體連接后（TβRII），TGF-β1激活TGF-βⅠ型受體（TβRI）激酶。這個(gè)過(guò)程導(dǎo)致Smad2和Smad3的磷酸化。 Smads分為3類，受體調(diào)節(jié)的（R） Smads（Smad1，2，3，5和8），共同的（CO）Smads（Smad4）和抑制性（I）Smads（Smad6和7）[4]。磷酸化的Smad2、Smad3和Smad4形成低聚體復(fù)合物，之后這種Smad復(fù)合物移位到細(xì)胞核內(nèi)并調(diào)節(jié)靶基因轉(zhuǎn)錄[5]。

Hui等人的研究揭示在TGF-β介導(dǎo)的腎纖維化中Smad2和Smad3的確切作用[6]。EMT中TGF-β1針對(duì)性的調(diào)控基因大多數(shù)依賴Smad3的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)。最近研究證明在血管緊張素Ⅱ誘導(dǎo)的近端腎小管EMT也是Smad3依賴性的[7]。在單側(cè)輸尿管梗阻的模型中，從腎小管上皮細(xì)胞刪除Smad2顯著促進(jìn)纖維化[8]。在對(duì)TGF-β1的反應(yīng)中，腎小管上皮細(xì)胞Smad2表達(dá)的衰減也促進(jìn)纖維化標(biāo)記的表達(dá)。同樣，在糖尿病和高血壓條件下的腎和心血管纖維化由Smad3介導(dǎo) ，但被Smad2 抑制[9]，表明Smad2和Smad3在調(diào)節(jié)TGF-β靶基因中可能發(fā)揮互補(bǔ)作用。在缺少Smad3基因表達(dá)的1型糖尿病嚙齒類動(dòng)物模型中，糖尿病腎損害的抑制支持Smad3可能在糖尿病腎病中發(fā)揮關(guān)鍵作用[10]。

TGF-β/Smad信號(hào)通路被嚴(yán)格調(diào)控以保持細(xì)胞內(nèi)的平衡。這種保障機(jī)制保護(hù)細(xì)胞免受不必要的TGF-β應(yīng)答，并被抑制性Smads負(fù)調(diào)節(jié)[11]，抑制性Smads（Smad6和Smad7）抑制R- Smad磷酸化，通過(guò)阻止它們到達(dá)TBRI，和/或通過(guò)促進(jìn)受體復(fù)合物的降解。多個(gè)研究表面，Smad7的過(guò)度表達(dá)可以抑制Smad2/3的激活和腎纖維化和炎癥[11]。在1型糖尿病腎病的嚙齒類動(dòng)物模型中也發(fā)現(xiàn)，Smad7在DN的發(fā)展中的保護(hù)作用[12]。另一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步支持該觀點(diǎn)，與野生型小鼠相比，Smad7基因敲除小鼠發(fā)展了更嚴(yán)重的糖尿病腎損害，因?yàn)檫@些小鼠有更高水平的尿白蛋白排泄、腎纖維化和腎炎癥反應(yīng)[12]。增強(qiáng)的TGF-β和NF -κB信號(hào)通路的激活是發(fā)生在缺少Smad7的糖尿病小鼠中增強(qiáng)的腎纖維化和炎癥的機(jī)制。相反，通過(guò)超聲微泡介導(dǎo)技術(shù)將Smad7基因?qū)胩悄虿〈笫竽I臟中顯著降低了微量白蛋白尿，TGF-β/Smad介導(dǎo)的腎纖維化和NF-κB驅(qū)動(dòng)的腎臟炎癥反應(yīng)的發(fā)展[12]。

越來(lái)越多的證據(jù)表明，糖尿病腎病也是一種炎癥性疾病，Smad7的損耗有助于糖尿病炎癥的發(fā)展，作為NF-κB信號(hào)傳導(dǎo)通路激活的結(jié)果。在病理學(xué)條件下，Smad7的損耗歸因于E3泛素連接酶的激活[11]。腎臟Smad7的損耗不僅導(dǎo)致TGF- β/Smad3-介導(dǎo)的腎纖維化，而且還通過(guò)激活NF -κB依賴性炎癥反應(yīng)加強(qiáng)腎臟炎癥[12]。

2 腎臟的上皮細(xì)胞向間充質(zhì)轉(zhuǎn)化

發(fā)育上，腎小管來(lái)源于后腎間質(zhì)，經(jīng)歷由間充質(zhì)到上皮細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化過(guò)程。這種細(xì)胞分化不是一成不變的，通過(guò)EMT細(xì)胞保留能夠恢復(fù)到原來(lái)的間充質(zhì)形態(tài)的能力。通常與胚胎起源的上皮細(xì)胞有關(guān)，這種可塑性在發(fā)展的早期階段至關(guān)重要。

在EMT中，上皮細(xì)胞特性的喪失恰逢間充質(zhì)表型相關(guān)的蛋白的獲得。這些形態(tài)和表型的改變分四個(gè)不同階段發(fā)生：（a）上皮細(xì)胞粘附分子如E-鈣粘蛋白和緊密連接蛋白ZO-1的喪失被（b）間充質(zhì)標(biāo)記物α-SMA和中間絲蛋白波形代替。細(xì)胞粘附分子的喪失伴隨著（c）導(dǎo)致腎小管基底膜（TBM）中斷的細(xì)胞骨架重構(gòu)和形態(tài)學(xué)變化。（d）這些細(xì)胞具有從TBM遷移到間質(zhì)的能力。這種遷移能力導(dǎo)致ECM沉積的增加，并使EMT在腎小管間質(zhì)纖維化的病理中成為關(guān)鍵。腎小管上皮細(xì)胞有E-鈣粘蛋白固定在一起形成一個(gè)高度結(jié)合的上皮層。E-鈣粘蛋白表達(dá)的喪失發(fā)生在EMT的早期階段，并導(dǎo)致上皮細(xì)胞層中細(xì)胞的分離[13]。這代表一系列事件的開(kāi)始，并以從上皮細(xì)胞到間充質(zhì)表型的轉(zhuǎn)變告終。E-鈣粘蛋白的變化迅速伴隨著間充質(zhì)標(biāo)記的上調(diào)。肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架到應(yīng)力纖維的重組伴隨著細(xì)胞角蛋白與成纖維細(xì)胞特異性蛋白1表達(dá)的交換。這些形態(tài)和表型改變支持基質(zhì)重塑和遷移橫跨TBM到間質(zhì)環(huán)境，進(jìn)一步加劇纖維化[14]。

在糖尿病腎病的早期進(jìn)展過(guò)程已觀察到腎小球纖維化。在這些早期階段雖然腎小管間質(zhì)纖維化也可以表現(xiàn)出來(lái)，但腎小管間質(zhì)的纖維化物質(zhì)的建立易伴隨著疾病進(jìn)展，與腎功能的逐漸下降有關(guān)[15]。雖然在DN中的成纖維細(xì)胞的起源仍不太清楚，進(jìn)展的腎纖維化可能部分是由EMT誘導(dǎo)的表型改變介導(dǎo)的。來(lái)自糖尿病動(dòng)物和糖尿病腎病患者的腎臟的腎組織的分析，證實(shí)EMT誘導(dǎo)的變化的存在。最近在鏈脲菌素（STZ）處理的wistar Kyoto大鼠，Sprague-Dawley大鼠和STZ Ren-2大鼠中觀察到了EMT的標(biāo)志[16]。Yamaguchi等最近的研究[17]認(rèn)為，糖尿病患者足細(xì)胞的成纖維細(xì)胞特異性蛋白1的存在很有可能與通過(guò)EMT足細(xì)胞分離的誘導(dǎo)有關(guān)，因?yàn)槟I小球足細(xì)胞的消耗是進(jìn)展中的糖尿病腎病的一個(gè)重要的特點(diǎn)。

3 TGF-β1在糖尿病腎病中的作用

通過(guò)腎小球硬化、腎小管間質(zhì)纖維化、炎癥過(guò)濾、腎功能架構(gòu)的喪失，腎纖維化在對(duì)ECM的應(yīng)答中形成。在糖尿病腎病中，漸進(jìn)的腎小管間質(zhì)纖維化代表慢性腎衰的最終的共同路徑，而且是EMC成分降解的改變和產(chǎn)生增加的結(jié)果。腎單位數(shù)量的下降與增加的纖維化相平行，因?yàn)殚g質(zhì)性疤痕取代了病理過(guò)程中腎單位喪失的空間，最終導(dǎo)致腎功能受損。

TGF-β1是糖尿病腎病的主要介質(zhì)，并且在ECM 積累的發(fā)展中起關(guān)鍵作用[18]。腎纖維化和EMT之間的聯(lián)系15年前已在反管狀膜病鼠模型中提出[19]。Iwano M等學(xué)者證明，那些基質(zhì)產(chǎn)生細(xì)胞存在腎小管間質(zhì)空間內(nèi)，36%是上皮來(lái)源，并且通過(guò)EMT起源于腎小管上皮細(xì)胞[20]。在體內(nèi)，EMT的證據(jù)已在各種形式的CKD被描述，包括糖尿病腎病[21]。雖然有超過(guò)十幾種纖維化因子影響腎功能，被廣泛認(rèn)可的是TGF-β1和其下游的Smad信號(hào)通道，是腎纖維化的主要途徑[18]。事實(shí)上，在動(dòng)物模型和人類的多種慢性腎臟病都普遍存在TGF-β的上調(diào)。在腎病的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭忻枋隽薚GF-β受體的表達(dá)增加，包括膜性腎病、梗阻性腎病和糖尿病腎病[22]，而自發(fā)糖尿病的動(dòng)物模型表明在高血糖開(kāi)始的3-7天TGF-β1 mRNA的表達(dá)增加[23]。鏈脲菌素（STZ）誘導(dǎo)的糖尿病大鼠，在高血糖的3天內(nèi)TGF-β1和II型TGF-β受體的mRNA表達(dá)都增加[23]。葡萄糖誘導(dǎo)的TGF-β1介導(dǎo)的ECM增加在培養(yǎng)的腎小球系膜細(xì)胞、足細(xì)胞和腎小管上皮細(xì)胞[24]均有報(bào)道，它的累積效應(yīng)是對(duì)腎實(shí)質(zhì)的破壞。糖尿病腎病纖維化的臨床研究證實(shí)Ⅰ和Ⅱ糖尿病患者腎臟中TGF-β1產(chǎn)生的增強(qiáng)，它的表達(dá)與血糖控制的程度緊密相關(guān)[25]。

4 治療干預(yù)

隨著對(duì)TGF-β信號(hào)在糖尿病腎病發(fā)展中的作用的深入理解，尋找一種成功抑制糖尿病腎病中TGF -β誘導(dǎo)的腎纖維化的治療策略迫在眉睫。

在過(guò)去十年中，使用一種抑制糖尿病腎病中TGF-β信號(hào)的中和抗體抗TGF-β抗體對(duì)1型或2型糖尿病腎病的小鼠進(jìn)行的長(zhǎng)期治療，防止了腎小球系膜基質(zhì)擴(kuò)張并減輕了腎功能下降，但增加的尿白蛋白排泄沒(méi)被影響[26]。此外，用中和抗體對(duì)腎組織TGF -β活性的抑制部分逆轉(zhuǎn)了糖尿病腎病的小鼠模型中的細(xì)胞外基質(zhì)擴(kuò)張和腎小球基底膜增厚[27]。這些結(jié)果表明，即使糖尿病腎病已經(jīng)發(fā)展，TGF-β的抑制仍有用。

一些抗纖維化和腎臟保護(hù)劑被指出部分減輕TGF-β誘導(dǎo)的纖維化，包括骨形態(tài)發(fā)生蛋白7（BMP-7）和肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子（HGF）。隨著EMT，TGF-β水平的增加與BMP-7表達(dá)的減少相平行。BMP-7減輕TGF-β誘導(dǎo)的腎纖維化[28]和拮抗TGF-β誘導(dǎo)的Smad3依賴性的EMT [29]。與BMP-7一樣，HGF和TGF-β有一個(gè)相互的聯(lián)系。HGF抑制TGF-β誘導(dǎo)的EMT，改善許多腎臟疾病模型中的腎纖維化損傷[30]。HGF的給予減少腎功能喪失，而HGF信號(hào)的阻斷進(jìn)一步加重腎纖維化的程度和進(jìn)展[30]。

5 結(jié)語(yǔ)

越來(lái)越多證據(jù)表明TGF-β是一種纖維化因子，在糖尿病腎病的發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。TGF-β誘導(dǎo)的EMT是糖尿病腎病中纖維疤痕形成的關(guān)鍵因素。抑制TGF-β/Smad信號(hào)通道代表一種可行的治療策略，以減輕腎纖維化和恢復(fù)腎功能?？估w維化生長(zhǎng)因子HGF和BMP-7能逆轉(zhuǎn)腎纖維化，新型腎臟保護(hù)劑的使用有助于減輕包括糖尿病腎病在內(nèi)的慢性腎臟疾病的并發(fā)癥。

參考文獻(xiàn)：

[1] Kanwar YS， Wada J， Sun L， et al. Diabetic nephropathy： mechanisms of renal disease progression[J]. Exp Biol Med （Maywood）， 2008， 233（1）：4–11.

[2] Ziyadeh FN. Mediators of diabetic renal disease： the case for TGF-beta as the major mediator[J]. J Am Soc Nephrol， 2004， 15（1）： 55–57.

[3] Schnaper HW， Hayashida T， Hubchak SC， et al. TGF-beta signal transduction and mesangial cell fibrogenesis[J]. Am J Physiol Renal Physiol， 2003， 284（2）： 243–252.

[4] Dennler S， Itoh S， Vivien D， et al. Direct binding of smad3 and smad4 to critical TGF beta-inducible elements in the promoter of the human plasminogen activator inhibitor-type 1 gene[J]. EMBO J， 1998， 17（11）：3091–3100.

[5] Roberts AB. Molecular and cell biology of TGF-beta[J]. Miner Electrolyte Metab， 1998， 24（2-3）： 111–119.

[6] Lan， HY，Chung AC. Transforming growth factor-β and Smads[J]. Contributions to nephrology， 2011，170： 75-82.

[7] Yang J， Zhang X， Li Y， et al. Downregulation of Smad transcriptional corepressors SnoN and Ski in the fibrotic kidney： an amplification mechanism for TGF-beta1 signaling[J]. J Am Soc Nephrol， 2003， 14（12）： 3167–3177.

[8] Meng XM， Huang XR， Chung AC， et al. Smad2 protects against TGF-beta/Smad3-mediated renal fibrosis[J]. J Am Soc Nephrol， 2010， 21（9）： 1477–1487.

[9] Chung AC， Zhang H， Kong YZ， et al. Advanced glycation end- products induce tubular CTGF via TGF-beta-independent Smad3 signaling[J]. J Am Soc Nephrol， 2010， 21（2）： 249–260.

[10] Fujimoto M， Maezawa Y， Yokote K， et al. Mice lacking Smad3 are protected against streptozotocin-induced diabetic glomerulopathy[J]. Biochem Biophys Res Commun， 2003， 305（4）： 1002–1007.

[11] Lan HY. Smad7 as a therapeutic agent for chronic kidney diseases[J]. Front Biosci， 2008， 13： 4984–4992.

[12] Chen H， Huang XR， Wang W， et al. The protective role of Smad7 in diabetic kidney disease： mechanism and therapeutic potential[J]. Diabetes， 2011， 60（2）： 590–601.

[13] Zheng G， Lyons JG， Tan TK， et al. Disruption of E-cadherin by matrix metalloproteinase directly mediates epithelial -mesenchymal transition downstream of transforming growth factor-beta1 in renal tubular epithelial cells[J]. Am J Pathol， 2009， 175（2）： 580–591.

[14] Zeisberg M， Kalluri R. The role of epithelial -to-mesenchymal transition in renal fibrosis[J]. J Mol Med， 2004， 82（3）： 175-181.

[15] Katz A， Caramori ML， Sisson-Ross S， et al. An increase in the cell component of the cortical interstitium antedates interstitial fibrosis in type 1 diabetic patients[J]. Kidney Int， 2002， 61（6）： 2058–2066.

[16] Holian J， Qi W， Kelly DJ， et al. Role of Kruppel-like factor 6 in transforming growth factor-beta1-induced epithelial -mesenchymal transition of proximal tubule cells[J]. Am J Physiol Renal Physiol， 2008， 295（5）： 1388–1396.

[17] Yamaguchi Y， Iwano M， Suzuki D， et al. Epithelial- mesenchymal transition as a potential explanation for podocyte depletion in diabetic nephropathy[J]. Am J Kidney Dis， 2009， 54（4）： 653–664.

[18] Dan DC， Hoffman BB， Hong SW. Therapy with antisense TGF-beta1 oligodeoxynucleotides reduces kidney weight and matrix mRNAs in diabetic mice[J]. Am J Physiol Renal Physiol， 2000， 278（4）： 628–634.

[19] Strutz F， Okada H， Lo CW， et al. Identification and characterization of a fibroblast marker： FSP1[J]. J Cell Biol， 1995， 130（2）：393-405.

[20] Iwano M， Plieth D， Danoff TM， et al. Evidence that fibroblasts derive from epithelium during tissue fibrosis[J]. J Clin Invest， 2002， 110（3）：341–350.

[21] Burns WC， Twigg SM， Forbes JM， et al. Connective tissue growth factor plays an important role in advanced glycation end product-induced tubular epithelial-to- mesenchymal transition： implications for diabetic renal disease[J]. J Am Soc Nephrol， 2006， 17（9）：2484–2494.

[22] Chen S， Hong SW， Iglesias-de la Cruz MC， et al. The key role of the transforming growth factor-beta system in the pathogenesis of diabetic nephropathy[J]. Ren Fail， 2001， 23（3-4）：471–481.

[23] Sharma K， Jin Y， Guo J， et al. Neutralization of TGF-beta by anti-TGF-beta antibody attenuates kidney hypertrophy and the enhanced extracellular matrix gene expression in STZ -induced diabetic mice[J]. Diabetes， 1996， 45（4）： 522–530.

[24] Bae JS， Kim IS， Rezaie AR. Thrombin down-regulates the TGF-beta-mediated synthesis of collagen and fibronectin by human proximal tubule epithelial cells through the EPCR-dependent activation of PAR-1[J]. J Cell Physiol， 2010， 225（1）： 233–239.

[25] Sharma K， Ziyadeh FN， Alzahabi B， et al. Increased renal production of transforming growth factor-beta1 in patients with type II diabetes[J]. Diabetes， 1997， 46（5）： 854–859.

[26] Ziyadeh FN， Hoffman BB， Han DC， et al. Long-term prevention of renal insufficiency， excess matrix gene expression， and glomerular mesangial matrix expansion by treatment with monoclonal anti transforming growth factor-beta antibody in db/db diabetic mice[J]. Proc Natl Acad Sci USA， 2000， 97（14）： 8015–8020.

[27] Chen S， Iglesias-de la Cruz MC， Jim B， et al. Reversibility of established diabetic nephropathy by anti-TGF-beta antibodies in db/db mice[J]. Bicohem Biophys Res Commun， 2003， 300（1）： 16–22.

[28] Mitu G， Hirschberg R. Bone morphogenetic protein-7 （BMP7） in chronic kidney disease[J]. Front Biosci， 2008， 13： 4726–4739.

[29] Zeisberg M， Shah AA， Kalluri R. Bone morphogenic protein-7 induces mesenchymal to epithelial transition in adult renal fibroblasts and facilitates regeneration of injured kidney[J]. J Biol Chem， 2005， 280（9）： 8094–8100.

[30] Yang J， Dai C， Liu Y. Systemic administration of naked plasmid encoding hepatocyte growth factor ameliorates chronic renal fibrosis in mice[J]. Gene Ther， 2001， 8（19）： 1470-1479.

作者簡(jiǎn)介：

秦娟（1982-），女，漢族，山西長(zhǎng)治人，碩士研究生，醫(yī)師

通訊作者：

吳艷，遂寧市中心醫(yī)院